Forskere viser en kvantemæssig fordel

Quantum computing og quantum sensing har potentiale til at være langt mere kraftfuld end deres klassiske modstykker. Ikke alene kunne en fuldt realiseret kvantecomputer tage kun sekunder at løse ligninger, der ville tage en klassisk computer tusinder af år, men det kan have uberegnelige virkninger på områder lige fra biomedicinsk billeddannelse til autonom kørsel.

Imidlertid, teknologien er ikke helt der endnu.

Faktisk, trods udbredte teorier om kvanteteknologiers vidtrækkende indvirkning, meget få forskere har kunnet demonstrere, ved hjælp af den tilgængelige teknologi nu, at kvantemetoder har en fordel i forhold til deres klassiske modstykker.

I et papir offentliggjort den 1. juni i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , Forskere fra University of Arizona viser eksperimentelt, at kvante har en fordel i forhold til klassiske computersystemer.

"At demonstrere en kvantefordel er et længe efterspurgt mål i samfundet, og meget få eksperimenter har været i stand til at vise det, "sagde papirforfatter Zheshen Zhang, adjunkt i materialevidenskab og teknik, hovedforsker ved UArizona Quantum Information and Materials Group og en af ​​papirets forfattere. "Vi søger at demonstrere, hvordan vi kan udnytte den kvanteteknologi, der allerede findes, til gavn for virkelige applikationer."

Hvordan (og hvornår) Quantum fungerer

Quantum computing og andre kvanteprocesser er afhængige af små, stærke informationsenheder kaldet qubits. De klassiske computere, vi bruger i dag, arbejder med informationsenheder kaldet bits, som findes som enten 0'er eller 1'ere, men qubits er i stand til at eksistere i begge stater på samme tid. Denne dobbelthed gør dem både kraftfulde og skrøbelige. De sarte qubits er tilbøjelige til at kollapse uden varsel, at lave en proces kaldet fejlkorrektion - som løser sådanne problemer, som de opstår - meget vigtig.

Kvantefeltet er nu i en æra, hvor John Preskill, en kendt fysiker fra California Institute of Technology, kaldet "støjende mellemskala kvante, "eller NISQ. I NISQ -æraen, kvantecomputere kan udføre opgaver, der kun kræver omkring 50 til et par hundrede qubits, dog med en betydelig mængde støj, eller interferens. Mere end det og larmen overvinder nytten, får alt til at falde sammen. Det er udbredt opfattelse, at 10, 000 til flere millioner qubits ville være nødvendige for at udføre praktisk anvendelige kvanteapplikationer.

Forestil dig at opfinde et system, der garanterer, at hvert måltid, du laver, bliver perfekt, og derefter give det system til en gruppe børn, der ikke har de rigtige ingredienser. Det bliver godt om et par år, når børnene er blevet voksne og kan købe, hvad de har brug for. Men indtil da, systemets anvendelighed er begrænset. Tilsvarende indtil forskere går videre med fejlkorrektion, som kan reducere støjniveauet, kvanteberegninger er begrænset til en lille skala.

Forvikling Fordele

Eksperimentet beskrevet i avisen brugte en blanding af både klassiske og kvanteteknikker. Specifikt, den brugte tre sensorer til at klassificere den gennemsnitlige amplitude og vinkel på radiofrekvenssignaler.

Sensorerne var udstyret med en anden kvanteressource kaldet forvikling, som giver dem mulighed for at dele oplysninger med hinanden og giver to store fordele:For det første, det forbedrer sensorenes følsomhed og reducerer fejl. Sekund, fordi de er sammenfiltrede, sensorerne vurderer globale egenskaber frem for at indsamle data om bestemte dele af et system. Dette er nyttigt for applikationer, der kun har brug for et binært svar; for eksempel, inden for medicinsk billeddannelse, forskere behøver ikke at vide om hver enkelt celle i en vævsprøve, der ikke er kræftfremkaldende - bare om der er en celle, der er kræft. Det samme koncept gælder for påvisning af farlige kemikalier i drikkevand.

Eksperimentet viste, at udstyring af sensorerne med kvanteindvikling gav dem en fordel i forhold til klassiske sensorer, reducere sandsynligheden for fejl med en lille, men kritisk margin.

"Denne idé om at bruge sammenfiltring til at forbedre sensorer er ikke begrænset til en bestemt type sensor, så den kan bruges til en række forskellige applikationer, så længe du har udstyr til at forvirre sensorerne, "sagde studieforfatter Quntao Zhuang, adjunkt i elektroteknik og computerteknik og hovedforsker i Quantum Information Theory Group "I teorien, du kan overveje applikationer som lidar (Light Detection and Ranging) til selvkørende biler, for eksempel."

Zhuang og Zhang udviklede teorien bag eksperimentet og beskrev det i et Physical Review X -papir fra 2019. De var medforfatter til det nye papir med hovedforfatter Yi Xia, en doktorand ved James C. Wyant College of Optical Sciences, og Wei Li, en postdoktor i materialevidenskab og teknik.

Qubit -klassifikatorer

Der er eksisterende applikationer, der bruger en blanding af kvante- og klassisk behandling i NISQ -æraen, men de er afhængige af allerede eksisterende klassiske datasæt, der skal konverteres og klassificeres i kvanteområdet. Forestil dig at tage en række fotos af katte og hunde, derefter uploade billederne til et system, der bruger kvantemetoder til at mærke billederne som enten "kat" eller "hund".

Teamet håndterer mærkningsprocessen fra en anden vinkel, ved at bruge kvantesensorer til at indsamle deres egne data i første omgang. Det er mere som at bruge et specialiseret kvantekamera, der mærker fotos som enten "hund" eller "kat", når billederne er taget.

"Mange algoritmer overvejer data, der er gemt på en computerdisk, og konverter det derefter til et kvantesystem, som tager tid og kræfter, "Zhuang sagde." Vores system arbejder på et andet problem ved at evaluere fysiske processer, der sker i realtid. "

Teamet er spændt på fremtidige anvendelser af deres arbejde i skæringspunktet mellem kvanteføling og kvantecomputing. De forestiller sig endda en dag at integrere hele deres eksperimentelle setup på en chip, der kunne dyppes i et biomateriale eller en vandprøve for at identificere sygdom eller skadelige kemikalier.

"Vi synes, det er et nyt paradigme for både kvanteberegning, kvantemaskineindlæring og kvantesensorer, fordi det virkelig skaber en bro til at forbinde alle disse forskellige domæner, "Sagde Zhang.